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半导体器件电离辐照损伤效应模拟的数值算法及应用

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数值计算与计算机应用 2020年第2期41卷 105-120页

作者：马召灿许竞劼卢本卓李鸿亮 LSEC 中国科学院数学与系统科学研究院计算数学研究所国家数学与交叉科学中心北京100190 四川师范大学数学科学学院成都610066

本文研究了半导体器件伽马辐照电离损伤效应定量物理模型系列算法,其中包括有限元空间离散、隐式时间积分以及非线性系统解耦迭代算法.算法有效地处理了电离损伤模型多组分、电-输运-反应多物理耦合以及强刚性等难点.基于三维并行有限... 详细信息

本文研究了半导体器件伽马辐照电离损伤效应定量物理模型系列算法,其中包括有限元空间离散、隐式时间积分以及非线性系统解耦迭代算法.算法有效地处理了电离损伤模型多组分、电-输运-反应多物理耦合以及强刚性等难点.基于三维并行有限元平台(PHG),我们完成了半导体器件电离辐照效应三维并行求解器TIDSim的研制.针对典型场效应晶体管NMOS、双极晶体管GLPNP进行了电离辐照损伤模拟,数值模拟结果与器件辐照实验数据吻合.

关键词：辐射效应电离损伤总剂量效应有限元 TIDSim

带电粒子辐照下石英玻璃和镀铝膜反射镜光学性能研究

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物理学报 2008年第1期57卷 592-599页

作者：周忠祥王宏利申艳青刘大军刘海何世禹杨德庄哈尔滨工业大学物理系哈尔滨150001 哈尔滨工业大学空间材料与环境工程实验室哈尔滨150001

提出低能带电粒子辐照下石英玻璃非弹性电离损伤的物理模型和速率方程,给出了电离效应产生带电离子、电子浓度的解析表达式.讨论了光密度与吸收剂量之间的变化关系,并与实验结果进行了比较.还给出光学反射镜反射率表达式及数学模拟结果... 详细信息

提出低能带电粒子辐照下石英玻璃非弹性电离损伤的物理模型和速率方程,给出了电离效应产生带电离子、电子浓度的解析表达式.讨论了光密度与吸收剂量之间的变化关系,并与实验结果进行了比较.还给出光学反射镜反射率表达式及数学模拟结果.利用所建立的模型,可以定量描述低能带电粒子辐照特别是综合辐照时石英玻璃和镀金属膜反射镜光学性能随辐照剂量的变化情况.

关键词：电离损伤综合辐照石英玻璃光密度

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质子辐照CCD诱发暗信号增大

清华大学学报（自然科学版） 2010年第9期50卷 1484-1488页

作者：王祖军刘以农陈伟唐本奇肖志刚刘敏波黄绍艳张勇清华大学工程物理系粒子技术与辐射成像教育部重点实验室北京100084 西北核技术研究所琶安710024

质子辐照诱发电荷耦合器件(CCD)中的暗信号。建立了质子辐照电离损伤的辐射效应模型,通过应用半导体器件仿真软件MEDICI进行数值模拟计算,得出了质子辐照电离损伤诱发CCD表面暗信号随辐照注量增大的变化规律;建立了质子辐照位移损伤的... 详细信息

质子辐照诱发电荷耦合器件(CCD)中的暗信号。建立了质子辐照电离损伤的辐射效应模型,通过应用半导体器件仿真软件MEDICI进行数值模拟计算,得出了质子辐照电离损伤诱发CCD表面暗信号随辐照注量增大的变化规律;建立了质子辐照位移损伤的辐射效应模型,数值模拟计算了质子辐照位移损伤诱发体缺陷导致CCD体暗信号增大的变化规律。综合比较了质子辐照损伤诱发增大的CCD表面暗信号、体暗信号和总的暗信号随质子辐照注量的变化规律。数值模拟计算结果与国外相关实验得出的规律相吻合。

关键词：电荷耦合器件(CCD) 质子暗信号电离损伤位移损伤数值模拟

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空间低剂量率效应模拟方法研究

核电子学与探测技术 2004年第4期24卷 427-430,440页

作者：何宝平王桂珍龚建成周辉贺朝会西北核技术研究所

一方面介绍了利用线性响应理论能够预估MOS器件空间低剂量率的辐射响应,并得出在相同偏压下,高剂量率辐照加室温退火所引起的阈值电压漂移量在误差允许的范围内等于低剂量率辐照的漂移量,两者总的时间相等;另一方面对美军标1019.4实验... 详细信息

一方面介绍了利用线性响应理论能够预估MOS器件空间低剂量率的辐射响应,并得出在相同偏压下,高剂量率辐照加室温退火所引起的阈值电压漂移量在误差允许的范围内等于低剂量率辐照的漂移量,两者总的时间相等;另一方面对美军标1019.4实验程序进行了重新评估,对氧化物陷阱电荷和界面态效应的评估方面给出了一些建议。

关键词：低剂量率加速试验退火线性响应理论电离损伤阈值电压漂移量 MOS器件

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NPN型晶体管辐射损伤及退火效应研究

NPN型晶体管辐射损伤及退火效应研究

作者：赵志明哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

本文采用低能质子和电子作为辐照源,研究了NPN双极型晶体管(3DG112D)在辐照过程中的性能退化规律。电流增益是双极型晶体管的电性能参数中关键的参数,其衰减是双极型晶体管最显著同时也是最典型的辐射损伤效应。本文中除研究双极型晶体... 详细信息

本文采用低能质子和电子作为辐照源,研究了NPN双极型晶体管(3DG112D)在辐照过程中的性能退化规律。电流增益是双极型晶体管的电性能参数中关键的参数,其衰减是双极型晶体管最显著同时也是最典型的辐射损伤效应。本文中除研究双极型晶体管电流增益随辐照注量的变化外,还在辐照试验完成后,研究了电流增益随退火时间、温度、偏置条件的变化规律。研究表明,在相同的辐照源种类、粒子能量及通量条件下,NPN型晶体管电性能参数随着辐照注量的不断增加而加剧;当晶体管受到110和70keV电子辐照,70keV质子辐照时,其电流增益的倒数随辐照注量的增加而增加且逐渐趋于饱和状态;当晶体管受到170keV质子辐照时其电流增益的倒数随辐照注量的增加而增加且呈线性关系;当170keV与110keV电子同时辐照时,位移损伤效应起了主导作用,而电离效应会对加剧位移损伤的影响。退火试验结果表明,等温退火时,NPN型晶体管电性能随退火时间的增加逐渐恢复。等时退火时,温度越高,NPN型晶体管电性能的退火效应越明显。在退火过程中,发射结反偏,会加速NPN型晶体管的电性能恢复;而发射结正偏的影响较小。不同种类辐照源对退火效应的影响也不相同。低能电子对NPN型晶体管造成的电离损伤在较低温度(低于300℃)就能完全恢复,而由低能质子造成损伤则需要较高的温度(500℃)才能有明显的恢复效果。

关键词： NPN晶体管辐照电离损伤位移损伤退火效应

CCD图像传感器辐射效应测试系统研制和实验研究

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CCD图像传感器辐射效应测试系统研制和实验研究

作者：焦仟丽湘潭大学

学位级别：硕士

电荷耦合器件(charge couple devices,CCD)是一种MOS结构的光电转换式图像传感器,具备成像、数据处理和通信等功能。由于其具有低噪声、高灵敏度、工作稳定等优点,是航天器成像系统中的核心元器件,广泛应用于对地遥感、遥测以及空间科... 详细信息

电荷耦合器件(charge couple devices,CCD)是一种MOS结构的光电转换式图像传感器,具备成像、数据处理和通信等功能。由于其具有低噪声、高灵敏度、工作稳定等优点,是航天器成像系统中的核心元器件,广泛应用于对地遥感、遥测以及空间科学探测。CCD在轨工作时,空间环境中的带电粒子诱发损伤导致其性能退化甚至功能失效,进而影响在轨航天成像系统的性能和寿命。因此,需要研究CCD在空间辐射环境下的性能退化和损伤机理。本文基于TOSHIBA公司CCD器件TCD1703C,研制了一款应用于辐射效应研究的测试系统,并基于该测试系统开展了Coγ射线总剂量辐照实验验证,获得了CCD敏感参数随辐照累积剂量的退化规律,验证了研制的CCD辐射效应测试系统的适用性。本文详细介绍了测试系统的硬件电路设计和软件驱动设计。测试系统硬件电路主要包括系统电源模块、FPGA主控模块、CCD驱动模块、AD转换模块以及无线传输模块;测试系统的软件设计主要包括CCD驱动时序设计、ADC驱动时序设计以及FPGA数据缓存FIFO设计。测试系统使用无线传输技术实现与上位机的远距离通信,为系统在特殊的应用场景下提供便捷性。在软件、硬件设计的基础上对系统进行了辐照实验验证,实验结果表明系统运行稳定,能满足开展CCD辐照实验的需求。基于该测试系统开展了Coγ射线总剂量辐照实验,获取了CCD暗信号、饱和输出等辐射敏感参数随累积剂量以及偏置条件的变化规律。实验研究表明,随着辐照累积剂量的增加,CCD暗信号和暗信号非均匀性相比于辐照前明显增大,暗信号增大与偏置条件紧密相关,辐照时加上偏置的器件暗信号性能退化更为明显;电离辐照损伤会导致饱和输出的下降,饱和输出同样与偏置条件紧密相关,辐照时加上偏置的器件随辐照剂量的增大退化更为显著。在室温退火的过程中,暗信号随退火时间有一定程度的恢复,但饱和输出信号基本维持不变,实验结果表明在室温下的退火效应对暗信号性能恢复有一定的积极作用,但对饱和输出信号的影响很小。该实验结果验证了测试系统能够为CCD辐照实验研究提供技术支持。

关键词：电荷耦合器件辐照效应电离损伤可编程逻辑器件无线传输

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X射线探测器辐照效应机理研究

X射线探测器辐照效应机理研究

作者：朱腾飞华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

X射线探测器是提高X射线脉冲星导航系统精确度的关键器件,传统的X射线探测器已经不能够满足X射线脉冲星导航系统对于高精度的要求,而且在功能上还存在一定的局限性。因此,世界各个航天大国都在积极研制能够满足X射线脉冲星导航系统的高... 详细信息

X射线探测器是提高X射线脉冲星导航系统精确度的关键器件,传统的X射线探测器已经不能够满足X射线脉冲星导航系统对于高精度的要求,而且在功能上还存在一定的局限性。因此,世界各个航天大国都在积极研制能够满足X射线脉冲星导航系统的高性能探测器。本文在调研国内外X射线探测器基础上,针对项目研制的X射线探测器进行了辐照效应模拟研究,为探测器的研制提供理论支撑。本课题采用了基于蒙特卡罗方法的Geant4模拟软件,建立了 SDD探测器的辐照效应模型,主要包括建立SDD探测器模型、粒子源及可能发生的物理过程的定义。在完成辐照效应模型的构建后,对不同能量的中子、伽马光子辐照SDD探测器所造成的位移损伤、电离损伤进行了模拟研究。并取得了以下结论:1)模拟了不同能量的中子辐照SDD探测器产生的位移损伤情况,通过提取PKA的空间坐标并对其进行三维重建,得到了 PKA在SDD探测器中的空间分布图,得出中子在SDD探测器中各个位置产生PKA的概率是相同的,并且PKA在SDD探测器中呈近似均匀分布。通过提取PKA的能谱,得到了 PKA主要是集中在低能区,主要是发生了低能传输事件。根据PKA的散射角分布,其散射角全部集中在0～90度,说明中子在SDD探测器中只发生一次碰撞。通过对中子在SDD探测器中产生的其它次级粒子的分析,中子在非弹性散射与裂变反应中出现了较大的能量损失,而且中子发生了显著的核反应。模拟计算了中子在SDD探测器中产生的空位缺陷与其能量之间的关系,PKA数量与总空位缺陷数量随中子能量的变化趋势基本一致。通过计算中子在SDD探测器中产生的非电离能量沉积、电离能量沉积,得出其与SDD探测器厚度呈近似线性关系。2)模拟计算了不同能量的伽马光子辐照SDD探测器造成的位移损伤情况,得出伽马光子在SDD探测器中造成的位移损伤基本可以忽略不计。伽马光子在SDD探测器中主要是造成电离损伤。伽马光子在SDD探测器中造成的电离能量沉积与SDD探测器的厚度呈近似线性关系。伽马光子在SDD探测器会产生大量的次级电子,次级电子的能量分布从几个eV到入射粒子能量都有,而且随着次级电子散射角度的增加,次级电子数量不断降低。

关键词： X射线脉冲星导航 SDD探测器位移损伤电离损伤

CMOS图像传感器γ射线及电子辐照效应研究

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CMOS图像传感器γ射线及电子辐照效应研究

作者：梁庆威哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

本文利用Co60辐射源和DD1.2高频高压电子加速器，针对商用LUPA4000型CMOS图像传感器，分别进行γ射线和1MeV电子辐照试验，以及辐照后的室温和高温退火试验，测量并总结了CMOS图像传感器主要性能指标在不同辐照和退火条件下的性能变化... 详细信息

本文利用Co60辐射源和DD1.2高频高压电子加速器，针对商用LUPA4000型CMOS图像传感器，分别进行γ射线和1MeV电子辐照试验，以及辐照后的室温和高温退火试验，测量并总结了CMOS图像传感器主要性能指标在不同辐照和退火条件下的性能变化规律，分析了辐照损伤机理及γ射线与电子辐照效应的异同，可为建立空间辐照效应等效模拟试验方法及探索图像传感器的防护途径提供试验基础。γ射线辐照后图像传感器的主要性能指标均发生了明显漂移。暗信号和读出总噪声随着辐照剂量的增加单调增长;响应非均匀性和坏点数量在较低辐照剂量下增加缓慢，在辐照剂量达到70krad之后迅速增长;信噪比随辐照剂量的增加逐渐降低。室温退火过程中暗信号无明显恢复，而且在某些时段出现了继续增长的滞后现象;其他性能指标均有一定的恢复。在100℃条件下退火，所有性能指标恢复显著，当退火温度提高到200℃时，恢复程度接近于辐照前的水平。1MeV电子辐照与γ射线有类似辐照效应。在吸收剂量相当的情况下，电子辐照比γ射线辐照对CMOS图像传感器的影响更严重。与γ射线辐照相比，电子辐照时暗信号和读出总噪声的增长速率更大。在辐照剂量小于30krad时，γ射线和电子辐照对有相同的影响规律，辐照剂量大于30krad时，电子辐照下响应非均匀性和坏点数迅速增加。对CMOS图像传感器辐照损伤机理分析表明，1MeV电子辐照时沿芯片厚度方向吸收剂量不均匀，表面辐射敏感区的吸收剂量较γ射线辐照时大，导致效应增强。光敏二极管的辐照损伤是图像传感器参数漂移的主要原因，像元中的其他器件损伤也可能对辐照效应有一定的贡献。

关键词： CMOS图像传感器 γ射线辐照电子辐照电离损伤退火效应

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CMOS图像传感器电子和质子辐照效应研究

CMOS图像传感器电子和质子辐照效应研究

作者：张为开哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

本文针对商用LUPA4000型CMOS图像传感器，利用DD1.2高频高压电子加速器和2×6MV EN-)8串列式静电加速器，进行了1MeV电子和11MeV质子辐照试验，对经辐照的图像传感器进行了室温和100℃退火试验，总结了在不同辐照条件和退火过程中CMOS... 详细信息

本文针对商用LUPA4000型CMOS图像传感器，利用DD1.2高频高压电子加速器和2×6MV EN-)8串列式静电加速器，进行了1MeV电子和11MeV质子辐照试验，对经辐照的图像传感器进行了室温和100℃退火试验，总结了在不同辐照条件和退火过程中CMOS图像传感器主要性能指标的变化规律，对比分析了电子和质子辐照效应的异同，并对CMOS图像传感器辐照损伤机理进行了探讨。在加偏置电压条件下进行1MeV电子辐照，器件的暗信号和读出总噪声随辐照注量的增加接近于线性增长，在1.1E12/cm注量下，暗信号从***增加到***，读出总噪声从0.7448mv增加到0.9041mv。光响应非均匀性和坏点数量在较小注量时变化不大，当注量分别达到5E11/cm和9E11/cm后，呈迅速增长的趋势。与未加偏置电压相比，加偏置电压使图像传感器性能变化更为严重，并在1.3E12/cm注量下导致器件失效。在未偏置电压条件下进行11MeV质子辐照，当辐照注量小于1E10/cm时，图像传感器参数变化较小，随辐照注量继续增加则呈迅速增长的趋势。在3E11/cm注量下，暗信号和读出总噪声分别达到***和1.04511mv。在加偏置电压辐照条件下，当辐照注量较小时，参数变化与未加偏置电压时类似，辐照注量达到一定值后，参数变化比未加偏置时更大，在3E11/cm注量下器件失效。对经未加偏置电压质子辐照的图像传感器先后进行退火试验表明，图像传感器的各项性能参数在室温退火初期有一定的恢复，在随后100℃退火时，各项指标进一步下降，但不能恢复到辐照前的水平。对CMOS图像传感器辐照损伤机理分析表明，带电粒子辐照在光敏二极管的N型区中形成辐照缺陷以及氧化层界面态，是光电二极管暗信号的增大的原因。MOS晶体管的辐照损伤效应造成噪声，光响应非均匀性和坏点的增长。质子辐照时存在电离和位移两种效应，在较小辐照注量下，质子电离效应比电子效应弱，图像传感器参数变化小于电子辐照，当辐照注量达到一定值后，位移效应起主导作用，图像传感器发生参数急剧变化。

关键词： CMOS图像传感器质子辐照电子辐照电离损伤位移损伤